Энергетика. Инновационные направления в энергетике. CALS-технологии в э

ческие, но и организационные, мотивационные, информационные, маркетинговые и инвестиционные аспекты управления.

В свете изложенного интегрированную систему управления энергетическими ресурсами целесообразно представить в виде структурной схемы, приведенной на рис. 1.

Объектом управления является процесс потребления энергетических ресурсов, включающий энергогенерирующие, энергораспределительные и энергопотребляющие объекты, а также участников процесса энергопотребления – персонал предприятия (от лиц, управляющих, эксплуатирующих энергогенерирующие, энергораспределительные, энергопотребляющие объекты, до руководителей предприятия).

Задающим элементом в системе является энергетическая политика предприятия, определяющая на основе требуемых ключевых показателей энергоэффективности (KPIвх): декларацию заинтересованности в эффективном управлении энергоресурсами; основные положения политики предприятия в достижении энерго- и экологоэффективности; долгосрочные цели в повышении энергоэффективности предприятия; ближайшие задачи; делегирование ответственности в области обеспечения эффективного энергопотребления; структуру подотчетности при управлении энергоресурсами; взаимодействие персонала в деятельности повышения энергоэффективности; план действий на ближайший период; ресурсы на повышение энергоэффективности; процедуры проверок, мониторинга выполнения, пересмотра энергетической политики.

На основании требуемых KPI и положений энергетической политики задаются функционалы для управления энергетическими ресурсами с целью повышения энергоэффективности

Fз = {f1, f2 … fn}.

В качестве функционалов задаются: объемы потребления энергоресурсов, удельные расходы энергоресурсов на определенные виды работ, выпуск продукции, качественные парамет-

11

ры управления процессом потребления энергоресурсов как сложным «человеко-машинным» (эргатическим) процессом, отражающие учет организационных, мотивационных, информационных, маркетинговых и инвестиционных аспектов.

Задающие функционалы Fз поступают в аналитический блок, в который с выхода системы управления энергоресурсами через блок контроля и мониторинга также поступают фактические значения функционалов, полученные в процессе управле-

ния: Fф = {fф1, fф2,… fфn}.

Фактические значения функционалов формируются в процессе потребления энергоресурсов и могут отличаться от значений управляющих функционалов Fу = {fу1, fу2,… fуn}, входящих в этот процесс.

Ваналитическом блоке (АБ) на основании сравнения задающих и фактических значений функционалов, анализа отклонений происходят корректировка и формирование скорректиро-

ванных значений функционалов Fск = {fск1, fск2,… fскn}, которые поступают на вход операционного блока (ОБ).

ВОБ на базе скорректированных сигналов формируются

управляющие функции Fу по факторам, определяющим все аспекты управления энергоресурсами: техно-технологическому, организационному, мотивационному, информационному, маркетинговому, инновационному. Управляющие функционалы поступают на вход процесса потребления энергоресурсов (ППЭ).

Системность управления энергетическими ресурсами должна обеспечиваться тем, что:

– управление охватывает все виды потребляемых энергоресурсов, а также потребляемые холодную и горячую воду, сжатый воздух, атакже воздухнаобогрев, вентиляцию и кондиционирование;

– управление осуществляется на всех производственно-уп- равленческих уровнях: от нижнего – «точек» потребления энергоресурсов (персонала, управляющего энергопотребляющим оборудованием) до высшего – управление предприятием (включая сменный, участковый, цеховой уровни, уровеньпредприятий);

13

– управление энергоресурсами в структурных подразделениях осуществляется как в подсистемах, входящих в систему предприятия, которая, в свою очередь, может входить как подсистема в общую систему энергоменеджмента отрасли.

Систему управления энергетическими ресурсами в техническом аспекте целесообразно реализовать как организационнофункциональную распределённую на всех производственно-уп- равленческих уровнях предприятия систему автоматизированных рабочих мест (на базе существующих или организуемых компьютеризованных рабочих мест персонала), объединенных про- граммно-аналитическим комплексом, интегрированным в существующие компьютерные сети предприятий (рис. 2).

Управление энергоресурсами должно обеспечивать методическую, техно-технологическую, организационную, мотивационную, информационную, маркетинговую, инвестиционную составляющие управления, включая мониторинг и управление программами энергосбережения и повышения энергоэффективности предприятия.

Внедрение и эффективное функционирование интегрированных систем управления энергетическими ресурсами обеспечивает снижение затрат энергоресурсов на первоначальном этапе функционирования (2–3 года) на 8–12 % с достижением до 20–25 % при последующем развитии рассмотренных систем.

Внедрение систем энергоменеджмента позволит обеспечить инновационный сценарий повышения энергоэффективности.

Список литературы

1.Ляхомский А.В., Бабокин Г.И. Управление энергетическими ресурсами горных предприятий: учеб. пособие. – М.: Горная книга, 2011. – 232 с.

2.Ляхомский А.В., Дьячков Н.Б., Перфильева Е.Н. Про- граммно-аналитический комплекс для управления энергоресурсами горных предприятий // ГИАБ. – 2011. – № 4. – С. 12–26.

15

Сведения об авторах

Ляхомский Александр Валентинович – доктор техниче-

ских наук, профессор, заведующий кафедрой электрификации и энергоэффективности горных предприятий Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (г. Москва).

Перфильева Евгения Николаевна – кандидат технических наук, доцент кафедры электрификации и энергоэффективности горных предприятий Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (г. Москва).

Петухов Степан Викторович – аспирант кафедры элек-

трификации и энергоэффективности горных предприятий Национального исследовательского технологического университе-

та «МИСиС» (г. Москва), e-mail: petukhovsv@suek.ru.

Коробкина Галия Зефаровна – инженер, аспирантка кафед-

ры электрификации и энергоэффективности горных предприятий Национального исследовательского технологического универси-

тета «МИСиС» (г. Москва), e-mail: unptc_kvant@mail.ru.

16

А.И. Цаплин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

МЕТОДЫ УСИЛЕНИЯ МОЩНОСТИ ЭНЕРГИИ ФОТОНОВ

Рассмотрены исторические аспекты развития методов, усиливающих мощность энергии фотонов. Возможности концентрации энергии и ее передачи возросли с развитием оптоволоконных световодов. Показана динамика увеличения выходной мощности непрерывных волоконных лазеров. Прогрессирующие темпы развития оптоволоконной техники могут привести к тому, что преобразование и перенос энергии в виде потока инфракрасного излучения (фотонов) могут оказаться в некоторых случаях экономически более выгодным по сравнению с переносом электроэнергии.

Ключевые слова: энергия фотона, оптические волокна, волоконный лазер, брэгговская решетка.

A.I. Tsaplin

Perm National Research Polytechnic University

METHODS AMPLIFICATION POWER OF PHOTON ENERGY

Considered the historical aspects of the development of methods that enhance the power of the photons energy. The possibility of concentration of energy and its transfer increased with the development of the fiber optic light guides. Dynamics of increase in output power continuous fiber lasers are shown. Progressive the pace of development of fiber-optic equipment may cause the conversion and transfer of energy in the form of a stream of infrared radiation (photons) can be in some cases economically more beneficial compared with electricity.

Keywords: photon energy, optical fibers, fiber laser, grating of Bragg.

Введение

В конце XIX и в XX веке значительное развитие получила электроэнергетика, основанная на электроне как на элементарном носителе энергии. Известно противостояние Томаса Эдисона и Николы Тесла (а также Джорджа Вестингауза) в борьбе за использование постоянного и переменного тока. «Война токов»

17

продолжалась свыше ста лет и закончилась в 2007 году с окончательным переходом Нью-Йорка с постоянного тока на ток переменный [1].

Другой элементарный носитель энергии – квант электромагнитного излучения, способный существовать в вакууме, двигаясь со скоростью света, назван А. Эйнштейном «световым квантом». Его современное название – «фотон» было предложено позднее, в 1926 году, химиком Гилбертом Н. Льюисом. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярноволновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Несмотря на то, что фотон – самая распространённая по численности частица во Вселенной (на один нуклон приходится не менее 20 млрд фотонов), эта беззарядовая частица не находила практического применения в энергетике.

Развитие теорий природы света имеет длинную историю, основные события которой были подробно рассмотрены Лэмбом [2]. Нидерландский исследователь Христиан Гюйгенс в XVII веке сформулировал принцип распространения света, объясняющий отклонение распространения световых волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики (явление дифракции). Принцип Гюйгенса решает лишь задачу о направлении распространения волнового фронта, но не затрагивает вопроса об амплитуде, а следовательно, и об интенсивности волн, распространяющихся по разным направлениям. Французский физик Огюстен Жан Френель в начале XIX века вложил в принцип Гюйгенса физический смысл, дополнив его идеей интерференции вторичных волн. Согласно принципу Гюйгенса–Френеля световая волна, возбуждаемая каким-либо источником, может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками. В рамках волновой теории принцип Гюйгенса–Френеля не только объясняет прямолинейное распространение света, но и дает идею его усиления. Действительно, можно разделить волновой фронт на кольцевые зоны (зоны Френеля) такого размера, чтобы расстояния от краев зон

18

с прозрачными и непрозрачными кольцами на волновой поверхности до точки наблюдения отличались на половину длины волны света λ. При расстоянии а от точечного источника и расстоянии b до точки наблюдения на линии, соединяющей эти две точки, для света с длиной волны λ = 0,5 мкм при а = b = 10 см число таких зон составит 8·105, а центральная зона дает луч диаметром 0,316 мм. Опыты с зонными пластинками, в которых перекрываются четные зоны и оставляются свободными нечетные зоны, начиная с центральной, подтверждают усиление освещенности аналогично усилению в собирающей линзе.

Усиление падающего излучения возможно не только зонными пластинками, но и любой другой периодической структурой (решеткой). Для наблюдения дифракционной картины необходимо, чтобы постоянная решетки была того же порядка, что и длина волны падающего излучения. Например, кристаллы металлов, являясь трехмерными пространственными решетками, имеют постоянную решетки (расстояние между кристаллографическими плоскостями d) порядка 10–10 м и, следовательно, не пригодны для наблюдения дифракции в видимом свете (λ «5 10–7 м). Эти решетки усиливают рентгеновское излучение, поскольку расстояние между атомами в кристаллах одного порядка с длиной волны рентгеновского излучения (λ«10–12…10–8 м).

Простой метод расчета дифракции рентгеновского излучения от кристаллической решетки предложен независимо друг от друга Г.В. Вульфом (1863–1925) и английскими физиками Г. и Л. Брэггами (отец (1862–1942) и сын (1890–1971)). Они по-

казали, что дифракционные максимумы рентгеновского излучения являются результатом его синфазного отражения под углом скольжения φ от системы параллельных кристаллографических плоскостей и подчиняются соотношению, называемому формулой Вульфа–Брэггов:

19

Несмотря на то, что формула имеет практическое значения для рентгеноструктурного анализа и рентгеновской спектроскопии, термин «брэгговская решетка» применяется в современной литературе для усиления более широкого спектра падающего излучения. В настоящей статье показано развитие идеи усиления энергии фотонов в специальной среде переноса этой энергии – оптических волокнах.

1. Лазеры как усилители мощности энергии фотонов

Введение понятия фотона способствовало созданию новых теорий и физических приборов, а также стимулировало развитие экспериментальной и теоретической базы квантовой механики. Значительным достижением квантовой механики стало создание оптического квантового генератора (лазера) – устройства, преобразующего энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Все лазеры состоят из трёх основных частей [3]: активной (рабочей) среды, системы накачки (источника энергии) и оптического резонатора, который может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя. Назначение резонатора состоит в создании положительной оптической обратной связи, т.е. условий для превращения оптического квантового усилителя в оптический квантовый генератор. Открытый оптический резонатор представляет систему из двух обращенных друг к другу отражающих поверхностей, между которыми располагается активное (рабочее) вещество лазера. Самым простым видом открытого резонатора является система из двух плоских зеркал, обращенных друг к другу отражающими поверхностями (резонатор, предложенный в 1899 году французскими физиками Шарлем Фабри и Альфредом Перо). Свет в резонаторе многократно отражается, образуя стоячие волны с определенными резонансными частотами. Для вывода излучения отражающие

20